JP2010083223A - Vehicular air conditioner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両用空気調和装置に関する。 The present invention relates to a vehicle air conditioner.
車室内の換気装置を備えた鉄道車両では、換気によって室内より高温の外気を車室内へ取り込む一方、低温の車室内空気を外気へ放出するため、空調負荷が大きいという課題を有している。 A railway vehicle equipped with a vehicle interior ventilation device has a problem that the air conditioning load is large because the outdoor air that is hotter than the interior of the vehicle is taken into the vehicle interior by ventilation and the cold interior air is discharged to the outside air.
また一般住宅における換気による空調負荷の増加を抑制するため、特許文献1には、換気給気用熱交換器と減圧器と換気排気用熱交換器を直列に接続してなる換気用補助回路を、冷房時の冷媒流れ方向で、室内熱交換器の上流側に設け、かつ、換気吸気用熱交換器を室内熱交換器側に位置させる技術が開示されている。特許文献1によると、換気給気空気の予冷と、換気排気空気の排熱回収を、冷媒を介しておこなうことができ、省エネルギー性を高めることができるとしている。 Further, in order to suppress an increase in air conditioning load due to ventilation in a general house, Patent Document 1 discloses a ventilation auxiliary circuit formed by connecting a ventilation air supply heat exchanger, a decompressor, and a ventilation exhaust heat exchanger in series. In addition, a technique is disclosed in which the ventilation intake air heat exchanger is positioned on the indoor heat exchanger side in the direction of the refrigerant flow during cooling and provided on the upstream side of the indoor heat exchanger. According to Patent Document 1, precooling of ventilation supply air and exhaust heat recovery of ventilation exhaust air can be performed via a refrigerant, and energy saving can be improved.
車両用空気調和装置は、狭い車室内に多くの乗客がいるだけでなく、日射負荷の影響が大きいため、外気温度が比較的低い場合でも冷房負荷が発生する場合がある。図6は、外気温度変化時のp−h線図を示しており、実線は高外気温時の冷凍サイクルを、破線が低外気温時の冷凍サイクルを示している。外気温度が低くなると、図からわかるように蒸発器における蒸発エンタルピー差がΔhからΔh′のように増加し、この変化に伴い、蒸発温度も低下する。この低下幅が大きくなると、蒸発温度が凍結温度まで低下する不具合が生じる可能性がある。 In the vehicle air conditioner, not only there are many passengers in a narrow passenger compartment, but also the influence of solar radiation load is large, so that a cooling load may be generated even when the outside air temperature is relatively low. FIG. 6 shows a ph diagram when the outside air temperature changes. The solid line indicates a refrigeration cycle at a high outside air temperature, and the broken line indicates a refrigeration cycle at a low outside air temperature. As the outside air temperature decreases, the evaporation enthalpy difference in the evaporator increases from Δh to Δh ′ as can be seen from the figure, and the evaporation temperature also decreases with this change. When this decrease width becomes large, there is a possibility that the evaporating temperature is lowered to the freezing temperature.
ところで、特許文献1では、凝縮器から流出する高温の液冷媒と、比較的低温の換気排気空気との熱交換をおこなう換気排気用熱交換器を設けるとしており、液冷媒温度を低下させ、過冷却度を高めることにより、蒸発エンタルピー差すなわち冷房能力を増大させ、換気による空調負荷を抑制できるとしている。 By the way, in Patent Document 1, a ventilation exhaust heat exchanger that performs heat exchange between the high-temperature liquid refrigerant flowing out of the condenser and the relatively low-temperature ventilation exhaust air is provided. By increasing the degree of cooling, the evaporation enthalpy difference, that is, the cooling capacity is increased, and the air conditioning load due to ventilation can be suppressed.
このとき換気排気用熱交換器出口の過冷却度は、車室内空気温度によって変化するので、車室内空気温度が高く、過冷却度が確保し難い状態でも十分な能力が得られるように、圧縮機の容量や熱交換器を設計する必要がある。このため逆に車室内空気温度が低い場合など過冷却度が大きくなる条件では、冷房能力が過剰となる。したがって、前述のように外気温度が低い条件では能力が過剰になり易く、蒸発温度が凍結温度まで低下する可能性があるが、この点について特許文献1では考慮されていなかった。 At this time, the degree of supercooling at the outlet of the heat exchanger for ventilation exhaust changes depending on the air temperature in the passenger compartment. It is necessary to design the capacity and heat exchanger of the machine. For this reason, on the contrary, under the condition that the degree of supercooling is large, such as when the air temperature in the passenger compartment is low, the cooling capacity becomes excessive. Therefore, as described above, the capacity tends to be excessive under the condition where the outside air temperature is low, and the evaporation temperature may be lowered to the freezing temperature. However, this point has not been taken into consideration in Patent Document 1.
また、圧縮機を安定して運転するためには、圧縮機出入口に所定の圧力差を確保する必要があるが、外気が低下すると凝縮温度も低下するため、圧縮機出入口における圧力差は小さくなる傾向がある。特に、特許文献1に示されるように、換気排気を用いて過冷却度を増大させる場合、同一冷房能力時の必要な冷媒循環量は減少するので、凝縮器からの放熱量も減少し、必要な圧縮機出入口圧力差を確保できなくなる可能性もあった。 Moreover, in order to operate the compressor stably, it is necessary to secure a predetermined pressure difference at the compressor inlet / outlet. However, since the condensation temperature also decreases when the outside air decreases, the pressure difference at the compressor inlet / outlet becomes small. Tend. In particular, as shown in Patent Document 1, when the degree of supercooling is increased using ventilated exhaust, the necessary amount of refrigerant circulation at the same cooling capacity decreases, so the amount of heat released from the condenser also decreases and is necessary. Therefore, there is a possibility that it becomes impossible to ensure a sufficient compressor inlet / outlet pressure difference.
また、さらに外気温度が低下し、車室内空気温度と外気空気温度が逆転すると、凝縮器で冷却・凝縮された冷媒が、換気排気空気との熱交換により逆に加熱される可能性もある。この場合減圧手段の入口冷媒状態が液単相から気液二相状態となるため、減圧幅が大きくなり、蒸発温度の大幅な低下などの不具合を引き起こす可能性もあった。 Further, when the outside air temperature is further lowered and the passenger compartment air temperature and the outside air temperature are reversed, the refrigerant cooled and condensed by the condenser may be heated reversely by heat exchange with the ventilation exhaust air. In this case, since the inlet refrigerant state of the decompression means is changed from the liquid single phase to the gas-liquid two-phase state, the decompression width is increased, and there is a possibility of causing problems such as a significant decrease in the evaporation temperature.
本発明の目的は、上記課題を解決し、低外気温度時にも安定して換気排気空気を利用した運転が可能な空気調和装置を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide an air conditioner that can be operated stably using ventilation exhaust air even at a low outside air temperature.
前記課題を解決するために本発明の車両用空気調和装置は、車室内の空気を車室外に排気する排気用ファンと、圧縮機,凝縮器,減圧手段,蒸発器を順次冷媒配管で環状に接続した冷凍サイクルと、前記凝縮器と前記減圧手段との間に配置され、前記排気用ファンによって車室外へ排気される空気と前記冷凍サイクル内の冷媒との熱交換をおこなう換気用熱交換器と、前記凝縮器と前記換気用熱交換器を接続する冷媒配管と、前記圧縮機と前記凝縮器を接続する冷媒配管と、を連通させるバイパス回路と、前記バイパス回路の連通状態を可変とするための制御弁を前記バイパス回路上に設けたものである。 In order to solve the above-described problems, an air conditioner for a vehicle according to the present invention includes an exhaust fan for exhausting air in a vehicle compartment to the outside of the vehicle compartment, a compressor, a condenser, a decompression means, and an evaporator in an annular manner in order by refrigerant piping. A ventilation heat exchanger that is disposed between a connected refrigeration cycle, the condenser and the decompression means, and performs heat exchange between the air exhausted out of the passenger compartment by the exhaust fan and the refrigerant in the refrigeration cycle. And a refrigerant circuit connecting the condenser and the ventilation heat exchanger, a bypass circuit connecting the compressor and the condenser, and a communication state of the bypass circuit is variable. A control valve is provided on the bypass circuit.
本発明によれば、低外気温度時にも安定して換気排気空気を利用した運転が可能な空気調和装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the air conditioning apparatus which can be drive | operated using the ventilation exhaust air stably also at the time of low external air temperature can be provided.
本発明における実施形態に係わる空気調和装置について、図1〜図6を用いて、以下詳細に説明する。 The air conditioner according to the embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to FIGS.
本発明の第一の実施形態を、図1を用いて説明する。図1は、本発明の第一の実施形態を示すシステム系統図である。冷房運転時には、圧縮機1で圧縮された冷媒(図示せず)は、四方切換弁2を実線で示すように通って室外熱交換器3へ入り、室外熱交換器3では、室外ファン6で送風される車室外の室外空気50に放熱することによって凝縮した後、換気用熱交換器4に流入する。換気用熱交換器4には換気排気用ファン9によって車室内30からの換気排気空気51が導入されており、換気排気空気51との熱交換により、冷媒はさらに凝縮して液化される。その後減圧手段10にて減圧された低温・低圧の冷媒は室内熱交換器5で蒸発し、四方切換弁2を介して再度圧縮機1へ戻り冷凍サイクルを構成する。このとき、室内熱交換器5へ流入する空気は、換気給気用ファン8によって車室外から導入された換気給気空気53と、車室内30から抽出された室内抽出空気52との混合気であり、室内熱交換器5で冷却された後に車室内30へ吹出されることで冷房をおこなう。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a system diagram showing a first embodiment of the present invention. During the cooling operation, the refrigerant (not shown) compressed by the compressor 1 passes through the four-
比較のため、換気用熱交換器を備えていない従来のシステム系統図を図5に示す。この場合、冷房運転時には、室外熱交換器3で車室外の室外空気50と熱交換することで、凝縮・液化した冷媒(図示せず)が、そのまま減圧手段10にて減圧され、室内熱交換器5へ流入する点が、図1に示す実施例とは異なっており、換気排気用ファン9から車室外への排気される換気排気空気51は、冷媒と熱交換することなく、車室外へ排気される。
For comparison, FIG. 5 shows a conventional system diagram that does not include a ventilation heat exchanger. In this case, during the cooling operation, the
このように、従来システムでは低温の換気排気空気をそのまま車室外へ放出していたが、図1に示した実施例では、この換気排気空気との熱交換をおこなう換気用熱交換器4を、室外熱交換器3と直列に配置することで、凝縮器の性能を向上させ冷凍サイクルの効率を高めることができる。
As described above, in the conventional system, the low-temperature ventilation exhaust air is directly discharged to the outside of the passenger compartment. However, in the embodiment shown in FIG. 1, the ventilation heat exchanger 4 that performs heat exchange with the ventilation exhaust air is By arrange | positioning in series with the
この冷凍サイクルの効率向上効果を図2にp−h線図で示す。実線で示されるように、圧縮機1でd点からa点まで圧縮された冷媒は、室外熱交換器3でe点まで放熱し、その後換気用熱交換器4にてさらに放熱・液化し、b点に至る。その後減圧手段10にてc点まで減圧され、室内熱交換器5にて車室内空気から熱を奪うことで蒸発し、d点へと至る。なお図2に破線で示すサイクルは換気用熱交換器4が無い従来のサイクルを示している。本実施例では、換気用熱交換器4を凝縮器の一部としたことにより、凝縮圧力を抑制することが可能となっている。
The efficiency improvement effect of this refrigeration cycle is shown by a ph diagram in FIG. As indicated by the solid line, the refrigerant compressed from the point d to the point a by the compressor 1 radiates heat to the point e by the
したがって、蒸発エンタルピー差を同等として冷房能力を保ったままで、圧縮機1における圧縮動力を抑制することができ、省エネルギー性を高めることができる。 Therefore, it is possible to suppress the compression power in the compressor 1 while maintaining the cooling capacity with the same evaporation enthalpy difference, and it is possible to improve energy saving.
次に、図1において外気温度が低下した場合の動作態様について説明する。外気温度が低下した場合には、制御弁12を開き圧縮機1から室外熱交換器3へと流れる冷媒の一部をバイパスさせ、直接換気用熱交換器4に流入するバイパス冷媒経路11を利用する。制御弁12が閉じている場合には、冷媒は室外熱交換器3で熱交換した後で換気用熱交換器4へ流入していたが、制御弁12を開くことによって、一部の冷媒が室外熱交換器3をバイパスすることになるので、換気用熱交換器4入口における冷媒は十分に凝縮されていない状態となり、換気用熱交換器4での必要な放熱量が増大する。放熱量を増加させるために空気との温度差を大きくする必要が生じるので、凝縮温度が高くなり、低外気温時の凝縮温度低下を抑制することが可能となる。したがって、蒸発温度低下等の不具合を回避することが可能な構成となっている。
Next, an operation mode when the outside air temperature is lowered in FIG. 1 will be described. When the outside air temperature decreases, the
次に、この効果を図3のp−h線図を用いて示す。実線がバイパス時の冷凍サイクル、破線がバイパス弁を閉じた状態での冷凍サイクルを示している。制御弁12を閉じたままの場合には、破線で示されるように、外気温度の低下とともに凝縮温度が低下し、室内熱交換器5におけるエンタルピー差Δh′が増大するので、蒸発温度の低下といった不具合を生じる可能性があった。一方、制御弁12を開いた場合には、e点の室外熱交換器3出口冷媒と、a点の圧縮機1吐出冷媒が合流したf点が換気用熱交換器4の入口条件となる。したがって、換気用熱交換器4出口のb点までのエンタルピー差、すなわち必要放熱量が増大する。この効果により、凝縮温度が上がり、換気用熱交換器4出口のb点の比エンタルピーも高くなる。このため、蒸発器における蒸発エンタルピー差が増大することによる不具合を回避することが可能となっている。
Next, this effect is shown using the ph diagram of FIG. The solid line indicates the refrigeration cycle during bypass, and the broken line indicates the refrigeration cycle with the bypass valve closed. When the
また、本実施例では、凝縮温度を高く保つことが可能となっているので、圧縮機における必要な圧力差も同時に確保することができ、安定した運転が可能となっている。 Further, in this embodiment, since the condensation temperature can be kept high, a necessary pressure difference in the compressor can be secured at the same time, and stable operation is possible.
また本実施例では、室外熱交換器3へ流入する室外空気温度を、温度検出手段41を用いて検知することで、制御装置40から制御弁12の開閉制御をおこなうとしたが、制御弁12の制御は、他の温度情報を用いておこなうとしてもよい。例えば、本実施例では室外熱交換器3と換気用熱交換器4を接続する冷媒配管の温度を測定する温度検出手段42を備える構成とした。温度検出手段42を用いて凝縮温度を検知することができるので、制御装置40からの指令によって制御弁12の開閉状態を制御することが可能となっている。したがって、例えば温度検出手段42で検知した凝縮温度が、事前に定めてある値よりも低い場合には、制御弁12を開く指令を出すことができる。外気温度を検知して制御する場合よりも、直接凝縮温度を検知することで、より確実に凝縮温度の低下を検知することが可能となっている。このように、凝縮温度を高め、安定した冷房運転を継続することが可能となる。
In the present embodiment, the
なお、本実施例では制御弁12を開閉可能な弁としているが、複数個並列に並べる、もしくは流量可変な弁形状としてもよく、この場合には、前述のような温度検出手段41や42の情報に基づいて、バイパス冷媒経路11を流れる冷媒の流量を調整させるとしても良い。
In this embodiment, the
また、換気排気空気51の換気用熱交換器4への流入温度を検出するための、温度検出手段43を設けるとしてもよく、温度検出手段42で検知された凝縮温度が、常に温度検出手段43で検知される換気排気空気51の温度よりも高くなるように制御しても良い。この場合には、室外熱交換器3で凝縮した冷媒が、換気用熱交換器4で加熱される事態を確実に回避することが可能となる。
Further, a temperature detecting means 43 for detecting the inflow temperature of the
ところで、低外気温時の凝縮圧力低下を抑制する手段の一つとして、換気用熱交換器4のバイパスを設ける方法も考えられるが、本実施例では冷媒が室外熱交換器をバイパスする回路を設けるとした。これは冷媒量変動による不具合を回避することが目的である。換気用熱交換器4をバイパスする回路を設けた場合であっても、換気排気用ファンは動作しているため、換気用熱交換器4内の冷媒と換気排気される換気排気空気51は常に熱交換することになる。このため換気排気される換気排気空気51の温度と、凝縮温度の関係に応じて冷凍サイクル内の冷媒量が変動することになる。
By the way, a method of providing a bypass for the heat exchanger 4 for ventilation can be considered as one of means for suppressing a decrease in the condensation pressure at a low outside air temperature. In this embodiment, a circuit for bypassing the outdoor heat exchanger with a refrigerant is provided. It was decided to provide it. This is for the purpose of avoiding problems due to refrigerant amount fluctuations. Even when a circuit that bypasses the ventilation heat exchanger 4 is provided, the ventilation exhaust fan is operating, so that the refrigerant in the ventilation heat exchanger 4 and the
すなわち凝縮温度に対して換気排気空気51の温度が低い場合には、換気用熱交換器4内に液冷媒が寝込む状態となり、冷凍サイクル内の冷媒量が不足する可能性がある。一方、凝縮温度に対して換気排気空気51の温度が高い場合には、逆に換気用熱交換器4内はガス冷媒となり、冷凍サイクル内の冷媒量が過剰になる可能性がある。本実施例では、このような状況を避けるために、直列に接続した室外熱交換器3と換気用熱交換器4のうち、上流側に配置している室外熱交換器3を一部バイパスさせる構成としており、換気用熱交換器4への冷媒の寝込み等による不具合を回避できる構成となっている。
That is, when the temperature of the
また本実施例では、換気排気用ファン9を換気用熱交換器4の下流側風路へ配置している。換気排気ファン9では、ファン用モータの発熱だけでなく、断熱圧縮により空気温度が上昇するため、換気用熱交換器4の上流側へ配置すると、冷媒との温度差が小さくなり効果的に熱交換することができなくなるという問題がある。
In this embodiment, the
そこで、本実施例では換気排気用ファン9を換気用熱交換器4の下流側へ配置する構成とし、換気排気空気51の温度を上昇させずに換気用熱交換器4へ流入させることで、冷媒との温度差を大きく保ち熱交換性能を向上させている。
Therefore, in this embodiment, the
また、本実施例では室外熱交換器3と換気用熱交換器4を、換気用熱交換器4のパス数と同じ2本の冷媒用の接続配管13で接続する構成とした。両者を1本の配管で接続する場合には、換気用熱交換器4において分配器が必要となり、この分配器における圧力損失によって、換気用熱交換器4における冷媒凝縮温度が低下し、換気排気空気51との温度差が小さくなるので、熱交換性能が低下することになる。そこで、本実施例では室外熱交換器3から換気用熱交換器4までを、換気用熱交換器4のパス数と同じ配管本数で接続することで、換気用熱交換器4への分配器設置を不要とした。このため換気用熱交換器4の凝縮温度が圧力損失によって低下することを防ぐことができるので、排気空気との熱交換性能を高く保つことができる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施例では冷房運転と暖房運転の切換を可能とするため、四方切換弁2を備える構成としている。四方切換弁2を切換えた場合の動作態様を説明する。圧縮機1で圧縮された高温のガス冷媒は四方切換弁2を破線で示すように通り、室内熱交換器5にて室内から抽出された室内抽出空気52と換気給気空気53の混合気へ放熱することによって、凝縮液化する。このとき、加熱された空気は車室内30へ戻り暖房をおこなう。その後、減圧手段10にて減圧された低温となった冷媒は換気用熱交換器4で一部蒸発したのち、室外熱交換器3で完全に蒸発しガス冷媒となり、再度四方切換弁2を介して圧縮機1へ戻る冷凍サイクルを構成する。このとき、換気用熱交換器4と室外熱交換器3がともに蒸発器として作用するので、蒸発温度を高め冷凍サイクルの効率を向上させることができる。さらに、換気用熱交換器4に流入する換気排気空気は、通常外気温度よりも高いので、換気用熱交換器4を利用することで、蒸発性能を向上させることができる。
In the present embodiment, the four-
したがって、本実施例では暖房運転をおこなう場合であっても、冷凍サイクルの効率を高めることが可能となっている。 Therefore, in the present embodiment, it is possible to increase the efficiency of the refrigeration cycle even when the heating operation is performed.
暖房運転時のp−h線図を図4に示す。圧縮機1でd点からa点まで圧縮された冷媒は、室内熱交換器にて放熱し、b点に至る。その後減圧手段10にてc点まで減圧された冷媒は、換気用熱交換器4でe点まで蒸発し、その後室外熱交換器3でさらに蒸発し、d点に至る。図には換気用熱交換器4のない従来のシステムにおける冷凍サイクル線図を、破線で示している。従来のシステムに対して、本実施例のサイクルでは、蒸発器性能を向上できるため、蒸発温度が高く、圧縮機1における圧縮動力を抑制でき、省エネルギー性の高いシステムとすることが可能となっている。
FIG. 4 shows a ph diagram during heating operation. The refrigerant compressed from the point d to the point a by the compressor 1 radiates heat in the indoor heat exchanger and reaches the point b. Thereafter, the refrigerant depressurized to the point c by the decompression means 10 evaporates to the point e in the ventilation heat exchanger 4, and further evaporates in the
1 圧縮機
2 四方切換弁
3 室外熱交換器
4 換気用熱交換器
5 室内熱交換器
6 室外ファン
7 室内ファン
8 換気給気用ファン
9 換気排気用ファン
10 減圧手段
11 バイパス冷媒経路
12 制御弁
13 接続配管
30 車室内
40 制御装置
41,42,43 温度検出手段
50 室外空気
51 換気排気空気
52 室内抽出空気
53 換気給気空気
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